Измерение диэлектрической проницаемости и электрических потерь в твердых диэлектриках

 

 

Цель работы: Изучить механизмы поляризации диэлектриков в электрических полях, характеристики диэлектрических свойств.

 

Знания, необходимые для допуска к работе:
- Законы последовательного и параллельного соединения конденсаторов;
- Диэлектрическая проницаемость как характеристика электрических свойств диэлектриков;

- Тангенс угла диэлектрических потерь.

 

Общие теоретические сведения

 

Для определенности рассмотрим однородное электростатическое поле, создаваемое плоским конденсатором. При внесении между пластинами конденсатора диэлектрической пластины существенно уменьшается напряженность электрического поля, и это уменьшение можно зафиксировать по увеличению емкости конденсатора.

Можно сделать предположение о том, что на напряженность электрического поля оказывает влияние среда, в которой это поле локализовано. Это явление можно объяснить следующим образом. Диэлектрики, как и все другие вещества, состоят из частиц (атомов или молекул), обладающих электрическим зарядом. Отличительной чертой диэлектриков является то, что в них отсутствуют свободные заряды, а все имеющиеся заряды связаны.

Диэлектрики можно разделить на два класса: неполярные и полярные. В неполярных диэлектриках структурные единицы, из которых они состоят, не обладают собственным электрическим полем. Например, если электроны расположены вокруг атома симметрично, то геометрический центр отрицательного заряда совпадает с расположением ядра атома, т.е. положительного заряда, и такой атом не обладает собственным электрическим полем. У большинства диэлектриков такой симметрии между отрицательными и положительными зарядами не наблюдается, в результате каждый атом или молекула обладает собственным электрическим полем и ведет себя как электрический диполь с постоянным по величине дипольным моментом. Но и полярные диэлектрики в целом не обладают собственным электрическим полем, так как дипольные моменты отдельных атомов расположенных хаотически друг относительно друга.

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация диэлектрика.

В неполярных диэлектриках происходит некоторое смещение геометрических центров отрицательного и положительного зарядов в противоположные стороны, что приводит к возникновению собственных электрических полей атомов, и, как следствие, возникновению собственного поля у диэлектрика в целом, направленного против внешнего и ослабляющего его. В полярных диэлектриках происходит частичная ориентация диполей вдоль силовых линий внешнего поля, что приводит к таким же, как и в случае неполярного диэлектрика, результатам.

Напряженность электрического поля внутри диэлектрика становится меньше.

Лабораторная установка

 

Стенд предназначен для освоения методики определения емкости, диэлектриче­ской проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, коэффициента диэлектрических потерь твердыхдиэлектриков; изучения этих характеристик диэлектриков взависимости от температуры и частоты.

Стенд состоит из термостата осуществляющего установку, измерение, автоматическую поддержку температуры образца диэлектрика и измерителя емкости тангенса угла диэлек­трических потерь образца диэлектрика.

По результатам измерения и с учетом размеров образца вычисляется его диэлектрическая проницаемость, и коэффициент диэлектрических потерь.

Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, куда помещается прием­ная кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Конструкция рабочей камеры термоста­та обеспечивает одинаковую температуру во всем рабочем объеме и равновесие между темпера­турой образца и среды. Измерение, регулирование и поддержка заданного температурного ре­жима осуществляется по показанию чувствительного платинового термодатчика установленного стационарно внутри рабочей камеры термостата. Предварительная установка значения требуе­мой температуры производится ручным регулятором с индикацией на цифровом 3-разрядном индикаторе, далее процесс разогрева (или остывания) до заданной температуры, а также ее под­держка осуществляется автоматически.

Контроль текущего температурного режима относительно заданного осуществляется тремя световыми индикаторами: "Б"- больше; "Н"- норма: "М"- меньше. Предусмотрена звуковая сигнализация при равенстве значений текущей температуры заданной.

Значение текущей температуры выводится на цифровой 3-разрядный индикатор нажатием кнопки "ИЗМЕР.t".

Объектами исследования могут быть плоские круглые образцы твердых диэлектри­ков с заранее нанесенными на поверхность электродами или эластичные (резиноподобные) ди­электрики с нажимными сменными электродами. Расположение электродов на образце и их размеры приведены на рис.1.

 

 

 

Диаметр электродов, мм: 25; 50; 75; 99.

Примечание: при использовании нажимных сменных электродов роль электрода «Н» выполняет основание приемной кассеты термостата.

 

Рис. 1. Расположение электродов и их рекомендуемые размеры

 

 

Измеритель емкости и тангенса угла диэлектрических потерь (в дальнейшем по тек­сту - измеритель) выполнен на основе мостовой схемы с автоматическим уравновешиванием. Все функции управления измерительным процессом осуществляет встроенная микроЭВМ.

Измерение производится после нажатия соответствующей кнопки. Результат измерения считывается с 3-х разрядных цифровых индикаторов после потухания светового индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ". Сбой в работе или выход за диапазон измерения сигнализируется световым индикатором "НЕБАЛАНС". Выбор частоты измерительного напряжения производится нажати­ем соответствующей кнопки и индицируется световыми индикаторами "5 кГц", "20 кГц".

Схема подключения электродов приведена на рис.2

 

 

Рис. 2. Схема подключения электродов диэлектрика

Конструктивно термостат и измеритель выполнены в виде настольных блоков. Назначе­ние органов управления и присоединительных разъемов приведено ниже:

Термостат (порядковые номера соответствуют рис.3):

1- "ИЗМЕР.t"- кнопка вывода на цифровой индикатор значения текущей температуры в рабочей камере термостата и включения режима регулирования температуры.

2- "СЕТЬ"- выключатель питания.

3- Светодиод "Б" - индикация превышения температуры в рабочей камере термостата относительно заданной.

4- Светодиод "Н" - индикация равенства температуры в рабочей камере термостата и за­данной

5- Светодиод "М" - индикация пониженной температуры в рабочей камере термостата относительно заданной.

6- Цифровой Зх - разрядный индикатор температуры.

7- "УСТАНОВКА t - и +" - кнопки установки задаваемой температуры нагрева.

8- Приемная кассета для установки образца в рабочей камере.

9- Выход к измерителю.

10- Зажимы для закрепления приемной кассеты в рабочей камере термостата.

11- Вилка для подключения сетевого шнура питания.

12- Сетевые предохранители.

13- Клемма защитного заземления.

14- Жалюзи приточной вентиляции.

Измеритель емкости и tgδ. (порядковые номе­ра соответствуют рис.4):

1- "СЕТЬ"- выключатель питания.

2- Цифровой Зх- разрядный индикатор емкости.

3- Световые индикаторы "5кГц", "20кГц" - индикация частоты измерительного напряжения.

4- Кнопка выбора частоты измерительного напряжения.

5- Световой индикатор "НЕБАЛАНС".

6- Цифровой 3х-разрядный индикатор тангенса угла tgδ.

7- Световой индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ".

8- Кнопка включения измерения.

9- Гнездо "ВХОД".

10- Вилка для подключения сетевого шнура питания.

11- Сетевые предохранители.

12- Клемма защитного заземления.

Приемная кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначе­на для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цени и уста­новки его в рабочей камере термостата. Электрический контакт с электродами образца осуществляется при помощи прижимных винтов. Электрическая схема кассеты приведена на рис.2, вид кассеты приведен на рис.5.

 

Рис. 3. Внешний вид передней (А) и задней (Б) панелей термостата

Рис. 4. Внешний вид передней (А) и задней (Б)

панелей измерителя емкости и tgδ

 

 

 

1 – Основание (электрод Н)

2 – Прижимные винты

3 – Планка

4 – Диэлектрик с верхним электродом В

5 – Контакт XT1 (рис 2)

6 – Контакт XT2 (рис 2)

 

Рис. 5. Кассета с образцом диэлектрика

 

Подготовка стенда к работе

1. Установите измеритель справа от термостата на расстоянии не менее 100 мм от его боковых жалюзей вентиляции.

2. Заземлите термостат и измеритель, а также соедините проводником их клеммы за­щитного заземления между собой с целью уменьшения помех.

3. Установите диэлектрический образец, для чего:

3.1. Оцените состояние поверхности образца на наличие влаги, загрязнения, окисления электродов и при необходимости очистите их;

3.2. Извлеките приемную кассету из рабочей камеры термостата, предварительно осво­бодив зажимы 10 рис.3;

3.3. Расположите образец диэлектрика на основании 1 рис.5 кассеты для чего предвари­тельно выкрутите прижимные винты 2 рис.5.

Если испытывается образец с заранее нанесенными "В" и "Н" электродами (рис.1),то он ложится на основание электродом "Н";

3.4. При использовании нажимного сменного электрода "В", установите его на образец полированной поверхностью. Роль электрода "Н" в этом случае играет само осно­вание кассеты;

Вкрутите прижимные винты 2 в планку 3 рис.5, выбрав необходимое отверстие в планке таким образом, чтобы винты 2 обеспечивали прижим и электрический контакт с элек­тродом "В";

3.5. Вставьте приемную кассету в рабочую камеру термостата и закрепите ее зажимами 10 рис.3.

4. Соедините выходной шнур кассеты термостата с гнездом "ВХОД" измерителя.

5. Включите термостат и измеритель в сеть 220 В, 50 Гц, включите выключатели питания "СЕТЬ".

6. Выдержите термостат и измеритель включенными в течение 10 мин.

 

 

Порядок выполнения работы

1. Произведите измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектри­ка прикомнатной температуре (начальное значение температуры внутри рабочей камеры термо­стата) для этого:

1.1. Для включения режима регулирования нажмите кнопку "ИЗМЕР.t" термостата и измерьте значение температуры по цифровому индикатору;

1.2. Установите необходимую частоту измерительного напряжения кнопкой поз. 4 рис. 4 измерителя 4;

1.3. Включите измерение кнопкой поз.8 рис.4 при этом должен засветиться индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ";

1.4. После потухания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ" произведите отсчет значений емкости и тангенса угла диэлектрических потерь по соответствующим цифровым индикаторам.

ВНИМАНИЕ! Если после потухания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ" засветится индикатор "НЕБАЛАНС", измерение необходимо повторить.

2. С помощью кнопок "УСТАНОВКА t - или +" задайте требуемую температуру нагрева термостата на цифровом индикаторе (рекомендуется повышать температуру ступенями на5...20 °С).

3. Контролируйте нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светоди­одных индикаторов: "М" - меньше; "Н" - норма; "Б" - больше. При зажигании светодиода "Н" (дублируется звуковым сигналом) необходимо сделать выдержку 2...3 мин для обеспечения установившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. После наступле­ния установившегося температурного режима проведите измерения по пп. 1.1-1.4.

4. При необходимости измерения можно проводить и в режиме уменьшения нагрева от установленной максимальной температуры.

5. По измеренным значениям емкости и тангенса угла диэлектрических потерь и с уче­том геометрических размеров испытуемого образца вычисляются значения диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь. Диэлектрическая проницаемость ε, коэффициент потерь К_п диэлектрика с круглыми электродами (рис.1) вычисляется по формулам:

ε = Сh /(ε ₀S);

К_п = ε tgδ,

где: С - емкость образца в Ф;

h - толщина образца в м;

S - площадь круглого электрода образца в м²;

ε ₀ - диэлектрическая постоянная = 8.85· 10^-12 Ф/м;

tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика.

6. ВНИМАНИЕ! После окончания измерений установите минимальную температуру кнопкой "УСТАНОВКА t -" термостата, не допускайте длительной работы термостата при тем­пературах свыше 100 °С.

7. После 2-х часов непрерывной работы выключите термостат на время не менее 30 мин.

 

 

Лабораторная работа № 3